硅是一種有吸引力的全固態(tài)電池（ASSB）負(fù)極材料，因為它具有高能量密度，而且比鋰金屬更安全。傳統(tǒng)的硅粉復(fù)合電極有明顯的內(nèi)部空隙和有害的界面，抑制了鋰的傳輸和壽命。

圖1. ASSB用硅片的電池性能

首爾大學(xué)Jongwoo Lim等證明了經(jīng)過表面處理的薄硅片可以作為無添加劑、無電解質(zhì)和無空隙的單片電極，它可以在室溫（25℃～）下實現(xiàn)高面積容量。研究顯示，單片硅結(jié)構(gòu)允許鋰在厚電極上快速傳輸，致密的固體電解質(zhì)界面可以有效地抑制在液態(tài)電解液中發(fā)現(xiàn)的裂縫和粉化現(xiàn)象，增強(qiáng)了界面穩(wěn)定性和循環(huán)保持力。實驗結(jié)果清楚地表明，在液態(tài)電解液電池中被忽視的硅片，作為下一代ASSB的電極具有巨大的潛力。

圖2. 表面處理的＜110＞晶片

此外，結(jié)合現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)，其表面、厚度、結(jié)晶度和缺陷等都可以被精密地設(shè)計，以提供卓越的能量密度、倍率能力和循環(huán)壽命。具體來說，硅片可以被精確和系統(tǒng)地微細(xì)化和蝕刻，以優(yōu)化單片硅幾何形狀的單位尺寸和它們之間的距離。這樣的幾何形狀可以最大限度地減少膨脹時的擴(kuò)張，并允許固態(tài)電解質(zhì)有效地滲入，以實現(xiàn)快速的鋰通道和長循環(huán)壽命。

結(jié)果，無空隙單片純硅電極可以在室溫下的半電池中實現(xiàn)高達(dá)10 mAh cm^-2的面積容量，并在60℃下的全電池中實現(xiàn)8.8 mAh cm^-2。

圖3. 開槽的<110>晶片的性能

Monolithic 100% Silicon Wafer Anode for All-Solid-State Batteries Achieving High Areal Capacity at Room Temperature. ACS Energy Letters 2023. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00496